高速轉(zhuǎn)動的發(fā)動機干式油底殼設(shè)計

蒲朝祥 黃瀟 張嘉杰 劉興田 上海工程技術(shù)大學(xué)

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。給參賽車隊根據(jù)賽事規(guī)則和相應(yīng)制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年時間內(nèi)自行設(shè)計一輛具有良好的操控性、優(yōu)良的加速性能以及符合安全規(guī)范小型賽車。

發(fā)動機是整車的動力來源，為保證發(fā)動機具有良好的工況效果，對發(fā)動機潤滑系統(tǒng)進行了改進。油底殼主要功能是儲存潤滑油且封閉曲軸箱。發(fā)動機油底殼設(shè)計原則是能保證發(fā)動機在各種工況下都能為發(fā)動機內(nèi)部部件提供潤滑油，使得發(fā)動機能夠持續(xù)運行。

本文對發(fā)動機油底殼進行重新設(shè)計，采用外置儲油罐，減小油底殼容積，降低發(fā)動機的重心。并通過CATIA建模、進行模型優(yōu)化、Ansys流體分析對儲油罐進行晃動仿真，以驗證方案可行性。

一、采用干式潤滑的原因

（一）濕式油底殼在FSC中的現(xiàn)狀

濕式潤滑系統(tǒng)的油底殼內(nèi)存儲全部潤滑油，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。同時由于給活塞、曲軸、變速箱齒輪、變速鏈條等發(fā)動機部件提供的潤滑油都儲存在下部的油底殼之中，使得所需發(fā)動機油底殼容積很大，發(fā)動機位置過高，整車的重心也被提高在安全規(guī)則限定不能低于最低包絡(luò)面，同時位于發(fā)動機上的進氣系統(tǒng)也不能超出車架包絡(luò)面以外。在FSC這項高速的賽車運動中特別是在整車在高速轉(zhuǎn)向或漂移時，采用濕式潤滑系油底殼內(nèi)的潤滑油因重力作用集中在某一處而使得發(fā)動機零部件的潤滑效果減弱。同時較高的重心也不利于這項高速賽車運動項目。

（二）干式油底殼

干式油底殼采用外置儲油罐，回流的潤滑油將會被吸油泵泵回外部的儲油罐中，再通過機油泵加壓后流經(jīng)機油濾清器、冷卻器、油道到達各個運動的摩擦表面，回落至下部油底殼吸油泵工作回到儲油罐。機油通過較長的輸送管道有利于潤滑有的降溫，改善潤滑性能，機油外置避免機油受高壓燃氣的侵襲，防止了機油的過早氧化。

使用干式油底殼的優(yōu)勢：降低發(fā)動機的重心，提高車輛在行駛過程的穩(wěn)定性和操控性。改善了發(fā)動機的潤滑效果，提高潤滑效果，保障了發(fā)動機的使用壽命。外置儲油罐有利于機油的降溫，保障機油品質(zhì)。

二、干式油底殼的設(shè)計

設(shè)計流程：外油路選擇——二級機油泵——油底殼設(shè)計——儲油罐設(shè)計——儲油罐晃動分析

（一）外油路連接

干式油底殼會多出一個干式機油泵，安裝在發(fā)動機機械水泵位置。CBR600發(fā)動機內(nèi)外油路主要的連接方式為⑴通過原機油泵連接和⑵通過與機油濾清器連接。本文采用通過集濾器間接與原機機油泵連接。

干式油底殼的儲油量較少，原車的機油泵無法將機油抽入加壓，需額外加一個與干式潤滑系統(tǒng)相匹配的機油泵。甭問采用賽方提供的購買的二級機油泵。

（二）油底殼設(shè)計

設(shè)計油底殼考慮到與原發(fā)動機要無間隙配合，對原裝油底殼進行三維逆向掃描，并建立CATIA建模。油底殼高度為40mm，采用二級機油泵，兩個口向外儲油罐泵機油的出口，機油在儲油罐中降溫后通過與集濾器相連的機油泵抽進發(fā)動機潤滑主油道進行潤滑?？紤]到油底殼密封性，圖中油底殼外形由逆向掃描輪廓建立的三維模型，在出油口和廢油口出設(shè)計集油槽，利于機油的順暢循環(huán)。

（三）儲油罐設(shè)計

油氣分離形式有慣性分離，纖維過濾分離，旋流分離等。氣液慣性分離是應(yīng)用氣流急速轉(zhuǎn)向使氣液運動軌跡不同而分離，但其對于較小的液滴分離效果較差，且要求較高的入口流體速度才能達到較好效果，將這種分離方式作為機油罐入口與壁面的初分離可有效去除較大液滴。過濾分離通過過濾介質(zhì)將氣體中的液滴分離出來介質(zhì)主要用金屬絲網(wǎng)和玻璃纖維，適用于較小流速時的分離，可布置在機油罐頂部溢流口處有效分離小液滴。氣液離心分離利用流體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力來分離氣 流中的液滴，它有分離時間短，設(shè)備體積小等優(yōu)勢，十分適合完成機油罐的油氣分離功能，故選擇旋流分離。儲油罐體積3.14L。考慮整車結(jié)構(gòu)布局設(shè)計其直徑為100mm，高度410mm。為加快潤滑油冷卻，在儲油罐外部增設(shè)散熱片，考慮到輕量化問題儲油罐材料為全鋁材料。

儲油罐晃動分析：將機油填充至油罐三分之一高度約為1.08L，進行模擬。①前進加速度5m/s2，時間持續(xù)1s；②極速轉(zhuǎn)向時前進加速度-10m/s2，側(cè)向加速度為20m/s2，持續(xù)時間0.5s。

三、與上年度濕式油底殼對比

（一）平穩(wěn)性能

干式油底殼較往年所做的濕式油底而言，高度矮了30mm，降低發(fā)動機的重心。對于濕式油底殼而言，賽車在高速過彎的工況下，側(cè)向會產(chǎn)生一個很大的加速度（約2G），此時機油由于慣性作用，開始往靠轉(zhuǎn)彎方向相反的方向移動，賽車在行使過程中不穩(wěn)定。

（二）潤滑效果

采用濕式油底殼的賽車在高速過彎的工況下，機油往開始轉(zhuǎn)彎的反向移動，導(dǎo)致吸油不充分；此外由于潤滑油是直接回落到下部油底殼中的，油液中含有過多的氣體，導(dǎo)致發(fā)動機傳動部件受潤滑部件的潤滑效果不理想。采用干式潤滑油底殼將機油內(nèi)的氣體分離。干式潤滑系統(tǒng)機油由外部回路，且在儲油罐上設(shè)有散熱片，能更好的將油液的溫度降低。故而采用干式潤滑時機油的潤滑效果更好。